第5章 函数
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第5章函数及其应用5.1 函数种类5.1.1 命令函数,例如:getchar(),putchar()等。
5.1.2标准C++库函数,fabs(), pow(), rand(),sin(x), sqrt(), fexp()等,要使用头文件。
5.1.3自定义函数5.2 自定义函数的概念及使用方法例1:求两个数中的最大数#include <iostream.h>int imax (int a, int b){return (a>b ? a:b); }void main(){int a=6,b=9;cout<<"max="<<imax(a,b)<<endl;}例2:求x的n次方#include "iostream.h"main(){ float mpow(float a,int n);cout<<"pow="<<mpow(3.,3)<<endl;}float mpow(float a,int n){int i;float k=1;for(i=1;i<=n;i++)k=k*a;return (k); }5.3 自定义函数的三种形式5.3.1 无参函数,例如main(),getchar()等。
主函数与子函数之间不传输数据例:输出字符四方形************************************************void print(){int i;for(i=1;i<5;i++)cout<<(“************\n”;}5.3.2. 空函数例:null(){ }5.3.3. 有参函数如例1,例2说明:1.C++语言程序由一个主函数和若干个子函数(模块)组成。
1.子函数也有类型和函数值。
2.子函数程序体可以作为单独的文件存放,如果单独存放,应在主函数中作为头文件进行说明。
5.3.2 函数的极值与最大(小)值第1课时函数的极值与导数学习目标核心素养1.了解极大值、极小值的概念.(难点)2.了解函数在某点取得极值的必要条件和充分条件.(重点、易混点)3.会用导数求函数的极大值、极小值.(重点)1.通过极值点与极值概念的学习,体现了数学抽象的核心素养.2.借助函数极值的求法,提升学生的逻辑推理、数学运算的核心素养.“横看成岭侧成峰,远近高低各不同”.请同学们思考:“山势有什么特点?”由此联想庐山的连绵起伏形成好多的“峰点”与“谷点”.这就是我们这节课研究的函数的极值.1.极值点与极值(1)极小值点与极小值若函数y=f (x)在点x=a的函数值f (a)比它在点x=a附近其他点的函数值都小,f ′(a)=0,而且在点x=a附近的左侧f ′(x)<0,右侧f ′(x)>0,就把点a叫做函数y=f (x)的极小值点,f (a)叫做函数y=f (x)的极小值.(2)极大值点与极大值若函数y=f (x)在点x=b的函数值f (b)比它在点x=b附近其他点的函数值都大,f ′(b)=0,而且在点x=b附近的左侧f ′(x)>0,右侧f ′(x)<0,就把点b叫做函数y=f (x)的极大值点,f (b)叫做函数y=f (x)的极大值.(3)极大值点、极小值点统称为极值点;极大值、极小值统称为极值.思考:导数为0的点一定是极值点吗?[提示]不一定,如f (x)=x3,f ′(0)=0,但x=0不是f (x)=x3的极值点.所以,当f ′(x0)=0时,要判断x=x0是否为f (x)的极值点,还要看f ′(x)在x0两侧的符号是否相反.2.求可导函数y=f (x)的极值的方法解方程f ′(x)=0,当f ′(x0)=0时:(1)如果在x0附近的左侧f ′(x)>0,右侧f ′(x)<0,那么f (x0)是极大值;(2)如果在x0附近的左侧f ′(x)<0,右侧f ′(x)>0,那么f (x0)是极小值.1.判断正误(正确的打“√”,错误的打“×”)(1)极大值一定比极小值大.( )(2)每一个函数都至少有一个极大值或极小值.( )(3)若f ′(x0)=0,则x0一定是极值点.( )(4)单调函数不存在极值.( )[提示](1)极大值不一定比极小值大,∴(1)错误;(2)有的函数可能没有极值.∴(2)错;(3)若f ′(x0)=0,只有导函数的变号零点,x0才是极值点,故(3)错误;(4)正确.[答案](1)×(2)×(3)×(4)√2.函数f (x)的定义域为R,导函数f ′(x)的图象如图所示,则函数f (x)( )A.无极大值点,有四个极小值点B.有三个极大值点,两个极小值点C.有两个极大值点,两个极小值点D.有四个极大值点,无极小值点C[设y=f ′(x)的图象与x轴的交点从左到右横坐标依次为x1,x2,x3,x4,则f (x)在x=x1,x=x3处取得极大值,在x=x2,x=x4处取得极小值.]3.(多选题)下列四个函数中,在x=0处取得极值的函数是( )A.y=x3B.y=x2+1C.y=|x| D.y=2xBC[对于A,y′=3x2≥0,∴y=x3单调递增,无极值;对于B,y′=2x,x>0时y′>0,x<0时y′<0,∴x=0为极值点;对于C,根据图象,在(0,+∞)上单调递增,在(-∞,0)上单调递减,∴C 符合;对于D ,y =2x单调递增,无极值.故选BC.]4.函数f (x )=x +2cos x 在⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2上的极大值点为( )A .0B .π6C .π3D .π2B [f ′(x )=1-2sin x .令f ′(x )=0,∵x ∈⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2,∴x =π6,x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫π6,π2时f ′(x )<0,x ∈⎝⎛⎭⎪⎫0,π6时,f ′(x )>0.∴x =π6是f (x )在⎣⎢⎡⎦⎥⎤0,π2上的极大值点.]不含参数的函数求极值(1)y =x 3-3x 2-9x +5; (2)y =x 3(x -5)2.[解] (1)∵y ′=3x 2-6x -9,令y ′=0,即3x 2-6x -9=0,解得x 1=-1,x 2=3. 当x 变化时,y ′,y 的变化情况如下表:x (-∞,-1)-1 (-1,3) 3 (3,+∞)y ′ + 0 - 0 + y↗极大值↘极小值↗当x =3时,函数y =f (x )有极小值,且f (3)=-22. (2)y ′=3x 2(x -5)2+2x 3(x -5) =5x 2(x -3)(x -5).令y ′=0,即5x 2(x -3)(x -5)=0,解得x 1=0,x 2=3,x 3=5.当x 变化时,y ′与y 的变化情况如下表:x (-∞,0)0 (0,3) 3 (3,5) 5 (5,+∞)y ′ + 0 + 0 - 0 + y↗无极↗极大值↘极小值0↗值108∴x =0不是y 的极值点;x =3是y 的极大值点,y 极大值=f (3)=108; x =5是y 的极小值点,y 极小值=f (5)=0.一般地,求函数y =fx 的极值的步骤1求出函数的定义域及导数f ′x ; 2解方程f ′x =0,得方程的根x 0可能不止一个;3用方程f ′x=0的根,顺次将函数的定义域分成若干个开区间,可将x ,f ′x ,f x 在每个区间内的变化情况列在同一个表格中;4由f ′x 在各个开区间内的符号,判断f x在f ′x =0的各个根处的极值情况:如果左正右负,那么函数f x 在这个根处取得极大值; 如果左负右正,那么函数fx 在这个根处取得极小值;如果导数值在这个根左右两侧同号,那么这个根不是极值点.[跟进训练]1.求函数f (x )=3x 3-3x +1的极值. [解] f ′(x )=9x 2-3, 令f ′(x )=0,得x 1=-33,x 2=33. 当x 变化时,f ′(x ),f (x )的变化情况如下表:x ⎝⎛⎭⎪⎫-∞,-33-33⎝ ⎛⎭⎪⎫-33,3333 ⎝ ⎛⎭⎪⎫33,+∞ f ′(x ) + 0 - 0 + f (x )↗极大值↘极小值↗根据上表可知x 1=-33为函数f (x )=3x 3-3x +1的极大值点,极大值为f ⎛⎪⎫-3=1+233; x 2=33为函数f (x )=3x 3-3x +1的极小值点,极小值为f ⎝ ⎛⎭⎪⎫33=1-233.含参数的函数求极值【例2】 已知函数f (x )=16x 3-20ax 2+8a 2x -a 3,其中a ≠0,求f (x )的极值. [思路探究] 求导―→解f ′x =0―→比较极值点大小 ―→进行讨论求极值[解] ∵f (x )=16x 3-20ax 2+8a 2x -a 3,其中a ≠0,∴f ′(x )=48x 2-40ax +8a 2=8(6x 2-5ax +a 2)=8(2x -a )(3x -a ), 令f ′(x )=0,得x 1=a 2,x 2=a3.①当a >0时,a 3<a2,则随着x 的变化,f ′(x ),f (x )的变化情况如下表:x ⎝ ⎛⎭⎪⎫-∞,a 3 a3⎝ ⎛⎭⎪⎫a 3,a 2a2⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2,+∞f ′(x ) + 0 - 0 + f (x )↗极大值↘极小值↗∴当x =a3时,函数f (x )取得极大值,为f ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 3=a327;当x =a2时,函数f (x )取得极小值,为f ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2=0. ②当a <0时,a 2<a3,则随着x 的变化,f ′(x ),f (x )的变化情况如下表:x ⎝ ⎛⎭⎪⎫-∞,a 2 a2⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2,a 3a3⎝ ⎛⎭⎪⎫a 3,+∞f ′(x ) + 0 - 0 + f (x )↗极大值↘极小值↗∴当x =a2时,函数f (x )取得极大值,为f ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2=0;当x =a3时,函数f (x )取得极小值,为f ⎝ ⎛⎭⎪⎫a 3=a327.综上,当a >0时,函数f (x )在x =a 3处取得极大值a 327,在x =a2处取得极小值0;当a <0时,函数f (x )在x =a 2处取得极大值0,在x =a 3处取得极小值a 327.函数极值的注意点1求函数的极值需严格按照求函数极值的步骤进行,重点考虑两个问题:一是函数的定义域,注意判断使导数值为0的点是否在定义域内,如果不在定义域内,需要舍去;二是检查导数值为0的点的左右两侧的导数值是否异号,若异号,则该点是极值点,否则不是极值点.2求解析式中含有参数的函数极值时,有时需要用分类讨论的思想才能解决问题.讨论的依据有两种:一是看参数是否对f ′x 的零点有影响,若有影响,则需要分类讨论;二是看f ′x 在其零点附近的符号的确定是否与参数有关,若有关,则需要分类讨论.[跟进训练]2.若函数f (x )=x -a ln x (a ∈R ),求函数f (x )的极值. [解] 函数f (x )的定义域为(0,+∞),f ′(x )=1-a x =x -ax.(1)当a ≤0时,f ′(x )>0,函数f (x )在(0,+∞)上单调递增,函数f (x )无极值. (2)当a >0时,令f ′(x )=0,解得x =a .当0<x <a 时,f ′(x )<0;当x >a 时,f ′(x )>0.∴f (x )在x =a 处取得极小值,且f (a )=a -a ln a ,无极大值. 综上可知,当a ≤0时,函数f (x )无极值;当a >0时,函数f (x )在x =a 处取得极小值a -a ln a ,无极大值.由极值求参数的值或取值范围322A .4或-3B .4或-11C .4D .-3(2)若函数f (x )=12x 2+(a -1)x -a ln x 没有极值,则( )A .a =-1B .a ≥0C .a <-1D .-1<a <0[思路探究] (1)由f ′(1)=0且f (1)=10.求解a ,b ,注意检验极值的存在条件. (2)求导分解因式主要对参数分类讨论.(按根的大小)(1)C (2)A [(1)∵f (x )=x 3+ax 2+bx +a 2,∴f ′(x )=3x 2+2ax +b .由题意得⎩⎪⎨⎪⎧f ′1=3+2a +b =0,f 1=1+a +b +a 2=10,即⎩⎪⎨⎪⎧2a +b =-3,a +b +a 2=9,解得⎩⎪⎨⎪⎧a =-3b =3,或⎩⎪⎨⎪⎧a =4,b =-11,当⎩⎪⎨⎪⎧a =-3b =3,时,f ′(x )=3x 2-6x +3=3(x -1)2≥0,故函数f (x )单调递增,无极值,不符合题意.∴a =4.故选C.(2)f ′(x )=(x -1)⎝ ⎛⎭⎪⎫a x+1,x >0,当a ≥0时,a x+1>0,令f ′(x )<0,得0<x <1; 令f ′(x )>0,得x >1.f (x )在x =1处取极小值. 当a <0时,方程a x+1=0必有一个正数解x =-a ,①若a =-1,此正数解为x =1,此时f ′(x )=x -12x≥0,f (x )在(0,+∞)上单调递增,无极值.②若a ≠-1,此正数解为x ≠1,f ′(x )=0必有2个不同的正数解,f (x )存在2个极值.综上,a =-1.故选A.]已知函数极值求参数的方法对于已知可导函数的极值求参数的问题,解题的切入点是极值存在的条件:极值点处的导数值为0,极值点两侧的导数值异号.1已知可导函数的极值求参数问题的解题步骤: ①求函数的导数f ′x ;②由极值点的导数值为0,列出方程组,求解参数. 注意:求出参数后,一定要验证是否满足题目的条件. 2对于函数无极值的问题,往往转化为f ′x ≥0或f ′x ≤0在某区间内恒成立的问题,此时需注意不等式中的等号是否成立.[跟进训练]3.若x =2是函数f (x )=x (x -m )2的极大值点,求函数f (x )的极大值.[解] ∵f ′(x )=(x -m )(3x -m ),且f ′(2)=0, ∴(m -2)(m -6)=0,即m =2或m =6. (1)当m =2时,f ′(x )=(x -2)(3x -2), 由f ′(x )>0得x <23或x >2;由f ′(x )<0得23<x <2.∴x =2是f (x )的极小值点,不合题意,故m =2舍去. (2)当m =6时,f ′(x )=(x -6)(3x -6), 由f ′(x )>0得x <2或x >6; 由f ′(x )<0得2<x <6.∴x =2是f (x )的极大值,∴f (2)=2×(2-6)2=32. 即函数f (x )的极大值为32.极值问题的综合应用1.如何画出函数f (x )=2x 3-3x 2-36x +16的大致图象.[提示] f ′(x )=6x 2-6x -36=6(x 2-x -6)=6(x -3)(x +2). 由f ′(x )>0得x <-2或x >3,∴函数f (x )的递增区间是(-∞,-2)和(3,+∞). 由f ′(x )<0得-2<x <3, ∴函数f (x )的递减区间是(-2,3).由已知得f (-2)=60,f (3)=-65,f (0)=16.∴结合函数单调性及以上关键点画出函数f (x )大致图象如图所示. 2.当a 变化时,方程2x 3-3x 2-36x +16=a 有几解?[提示] 方程2x 3-3x 2-36x +16=a 解的个数问题可转化为函数y =a 与y =2x 3-3x 2-36x +16的图象有几个交点的问题,结合探究点1可知:(1)当a >60或a <-65时, 方程2x 3-3x 2-36x +16=a 有且只有一解; (2)当a =60或a =-65时,方程2x 3-3x 2-36x +16=a 有两解; (3)当-65<a <60时,方程2x 3-3x 2-36x +16=a 有三解.【例4】 已知函数f (x )=x 3-3x +a (a 为实数),若方程f (x )=0有三个不同实根,求实数a 的取值范围.[思路探究] 求出函数的极值,要使f (x )=0有三个不同实根,则应有极大值大于0,极小值小于0,由此可得a 的取值范围.[解] 令f ′(x )=3x 2-3=3(x +1)(x -1)=0, 解得x 1=-1,x 2=1. 当x <-1时,f ′(x )>0; 当-1<x <1时,f ′(x )<0;当x >1时,f ′(x )>0.所以当x =-1时,f (x )有极大值f (-1)=2+a ; 当x =1时,f (x )有极小值f (1)=-2+a . 因为方程f (x )=0有三个不同实根,所以y =f (x )的图象与x 轴有三个交点,如图.由已知应有⎩⎪⎨⎪⎧2+a >0,-2+a <0,解得-2<a <2,故实数a 的取值范围是(-2,2).1.(改变条件)本例中,若方程f (x )=0恰有两个根,则实数a 的值如何求解? [解] 由例题知,函数的极大值f (-1)=2+a ,极小值f (1)=-2+a , 若f (x )=0恰有两个根,则有2+a =0,或-2+a =0, 所以a =-2或a =2.2.(改变条件)本例中,若方程f (x )=0有且只有一个实根,求实数a 的范围. [解] 由例题可知,要使方程f (x )=0有且只有一个实根, 只需2+a <0或-2+a >0, 即a <-2或a >2.3.(变条件、变结论)讨论方程ln xx=a 的根的情况.[解] 令f (x )=ln x x ,则定义域为(0,+∞),f ′(x )=1-ln xx2. 令f ′(x )=0,得x =e.当x 变化时,f ′(x )与f (x )的变化情况如下表:x (0,e) e (e ,+∞)f ′(x ) + 0 - f (x )↗1e↘因此,x =e 是函数f (x )的极大值点,极大值为f (e)=1e ,函数f (x )没有极小值点.其图象如图.∴当0<a <1e 时,ln xx =a 有两个不同的根;当a =1e 或a ≤0时,ln xx =a 只有一个根;当a >1e 时,ln x x=a 没有实数根.利用导数求函数零点的个数1利用导数可以判断函数的单调性; 2研究函数的极值情况;3在上述研究的基础上突出函数的大致图象;4直观上判断函数的图象与x 轴的交点或两个图象的交点的个数.若含有参数,则需要讨论极值的正负.1.若函数y =f (x )在区间(a ,b )内有极值,那么y =f (x )在(a ,b )内绝不是单调函数,即在某区间上单调函数没有极值.2.已知函数的极值情况,逆向应用确定函数的解析式,研究函数性质时,需注意两点:(1)常根据极值点处导数为0和极值两个条件列方程组,利用待定系数法求解.(2)因为函数在一点的导数值等于零不是此点为极值点的充要条件,所以利用待定系数法求解后必须验证极值点的合理性.3.已知函数零点(方程根)的个数,求参数取值范围的三种常用的方法:(1)直接法,直接根据题设条件构建关于参数的不等式,再通过解不等式确定参数范围;(2)分离参数法,先将参数分离,转化成求函数值域问题加以解决;(3)数形结合法,先对解析式变形,在同一平面直角坐标系中,画出函数的图象,然后数形结合求解.一是转化为两个函数y=g(x),y=h(x)的图象的交点个数问题,画出两个函数的图象其交点的个数就是函数零点的个数,二是转化为y=a,y=g(x)的图象的交点个数问题.1.函数f (x)的定义域为R,它的导函数y=f ′(x)的部分图象如图所示,则下面结论错误的是( )A.在(1,2)上函数f (x)为增函数B.在(3,4)上函数f (x)为减函数C.在(1,3)上函数f (x)有极大值D.x=3是函数f (x)在区间[1,5]上的极小值点D[由题图可知,当1<x<2时,f ′(x)>0,当2<x<4时,f ′(x)<0,当4<x<5时,f ′(x)>0,∴x=2是函数f (x)的极大值点,x=4是函数f (x)的极小值点,故A,B,C正确,D 错误.]2.设函数f (x)=x e x,则( )A.x=1为f (x)的极大值点B.x=1为f (x)的极小值点C.x=-1为f (x)的极大值点D.x=-1为f (x)的极小值点D [令f ′(x )=e x +x ·e x =(1+x )e x =0,得x =-1.当x <-1时,f ′(x )<0;当x >-1时,f ′(x )>0.故当x =-1时,f (x )取得极小值.]3.已知函数f (x )=x 3+3ax 2+3(a +2)x +1既有极大值又有极小值,则实数a 的取值范围是________.(-∞,-1)∪(2,+∞) [f ′(x )=3x 2+6ax +3(a +2),∵函数f (x )既有极大值又有极小值,∴方程f ′(x )=0有两个不相等的实根,∴Δ=36a 2-36(a +2)>0,即a 2-a -2>0,解得a >2或a <-1.]4.已知函数f (x )=2e f ′(e)ln x -x e,则函数f (x )的极大值为________. 2ln 2 [f ′(x )=2e f ′e x -1e ,故f ′(e)=2e f ′e e -1e, 解得f ′(e)=1e ,所以f (x )=2ln x -x e ,f ′(x )=2x -1e. 由f ′(x )>0得0<x <2e ,f ′(x )<0得x >2e.所以函数f (x )在(0,2e)单调递增,在(2e ,+∞)单调递减,故f (x )的极大值为f (2e)=2ln 2e -2=2ln 2.]。